康建紅張洪艷張 宇鄭國(guó)棟1)中國(guó)長(zhǎng)春 130117 吉林省地震局2)中國(guó)吉林 130117 長(zhǎng)春地震臺(tái)
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2013年吉林前郭強(qiáng)震群序列地震視應(yīng)力變化特征
康建紅1)張洪艷1)張 宇2)鄭國(guó)棟2)
1)中國(guó)長(zhǎng)春 130117 吉林省地震局2)中國(guó)吉林 130117 長(zhǎng)春地震臺(tái)
摘要選取2013年10月31日—12月24日吉林及鄰省數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)記錄的中小地震(2.0≤MS≤4.9)數(shù)字化波形資料,假設(shè)中小地震震源譜符合Brune模型,利用震源譜零頻極限值與拐角頻率,計(jì)算2013年11月23日吉林前郭MS5.8地震前后33次中小地震的視應(yīng)力值,結(jié)果表明:①?gòu)妮^小震級(jí)區(qū)間(3.0≤MS≤3.9)地震視應(yīng)力變化趨勢(shì)可知,此次MS5.8地震前,視應(yīng)力存在明顯上升過(guò)程,震后降至低值水平;②對(duì)比此次MS5.8地震前4次MS4.0以上地震視應(yīng)力水平,發(fā)現(xiàn)后2次地震較高,說(shuō)明MS5.8地震前視應(yīng)力確實(shí)存在上升現(xiàn)象;③消除震級(jí)對(duì)視應(yīng)力的影響,考察視應(yīng)力差值Δσapp隨時(shí)間的變化特征,發(fā)現(xiàn):MS5.8地震前,視應(yīng)力差值明顯上升,達(dá)到最高值后下降,下降過(guò)程中發(fā)生MS5.8地震,震后視應(yīng)力差值處于低值水平。
關(guān)鍵詞前郭強(qiáng)震群;MS5.8地震;視應(yīng)力;Brune模型
2013年10月31日在吉林省前郭縣先后發(fā)生MS5.5、MS5.0地震,11月22日再次發(fā)生MS5.3地震,10小時(shí)后,于11月23日早晨連續(xù)發(fā)生MS5.8、MS5.0地震,余震數(shù)量偏少,中強(qiáng)地震成對(duì)發(fā)生,地震序列復(fù)雜。震群發(fā)生在北東向松原—肇東斷裂與北西向查干泡—道字井?dāng)嗔呀粎R部位,2006年3月31日乾安MS5.0地震也發(fā)生在同一位置。此次震群發(fā)生前,該區(qū)地震活動(dòng)水平相對(duì)平靜,震中區(qū)附近最近一次地震發(fā)生在2009年1月31日,震級(jí)ML2.9。
震源機(jī)制解研究解決了應(yīng)力方向、應(yīng)力狀態(tài)(壓縮、拉張或剪切)等問(wèn)題,震源區(qū)應(yīng)力水平研究回答的則是應(yīng)力大小的問(wèn)題,是地震研究的基礎(chǔ)內(nèi)容。目前,衡量應(yīng)力大小常用的物理量是視應(yīng)力,是Wyss等(1968)提出的一種表征地下應(yīng)力水平的物理量。該方法在彈性力學(xué)框架下,通過(guò)合理假設(shè),利用地震資料求取地震視應(yīng)力,以實(shí)現(xiàn)對(duì)震源區(qū)絕對(duì)應(yīng)力水平估計(jì)。由此可見(jiàn),地震視應(yīng)力越高,震源區(qū)的應(yīng)力水平越高;反之,震源區(qū)應(yīng)力水平則低。Frank等(1984)研究發(fā)現(xiàn),1984年Adak斷裂mb5.8地震發(fā)生前,視應(yīng)力存在升高并向震源區(qū)集中的現(xiàn)象,該成果引起地震研究者廣泛關(guān)注。近年來(lái),隨著中國(guó)數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)資料的積累以及數(shù)字地震學(xué)研究的發(fā)展,視應(yīng)力在地震預(yù)測(cè)研究中受到重視。陳學(xué)忠等(2003)對(duì)多次強(qiáng)震視應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,并與后續(xù)地震強(qiáng)度進(jìn)行聯(lián)系,提出將視應(yīng)力用于強(qiáng)震震后趨勢(shì)預(yù)測(cè)的可能性;劉紅桂等(2006,2007)通過(guò)研究云南地區(qū)地震序列視應(yīng)力前兆特征,探討了地震視應(yīng)力在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用;陳學(xué)忠等(2007)研究發(fā)現(xiàn)2006年7月4日河北文安MS5.1地震之前,2001年10月開始在震區(qū)附近形成ML≥1.5地震空區(qū),并伴隨著應(yīng)力的增強(qiáng);吳晶等(2004)對(duì)2000年6月6日甘肅景泰MS5.9地震前后小地震視應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)視應(yīng)力表現(xiàn)出震前突跳—主震異常高值—震后恢復(fù)的變化特征;王瓊等(2005)對(duì)1999年11月29日岫巖MS5.4地震序列視應(yīng)力變化特征進(jìn)行分析,同樣發(fā)現(xiàn)震前低視應(yīng)力—震時(shí)高視應(yīng)力—震后逐漸降低的變化特征;孫燕萍等(2007)對(duì)2003年巴楚—伽師6.8級(jí)地震、2005年烏什6.3級(jí)地震前后地震視應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,二者均表現(xiàn)出震前低應(yīng)力階段—主震前的逐漸上升—震后逐漸恢復(fù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程;李艷娥等(2012)計(jì)算了汶川地震前四川地區(qū)視應(yīng)力值,發(fā)現(xiàn)在震前5年,汶川地震震區(qū)應(yīng)力水平顯示出明顯的上升—下降過(guò)程,且在臨震前還有一定幅度的上升;李艷娥等(2012)通過(guò)對(duì)2007年云南濘洱MS6.4地震前滇西南地區(qū)震源動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算研究,得到震前區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)明顯增強(qiáng)的結(jié)論。那么,在前郭強(qiáng)震群這樣一個(gè)復(fù)雜的地震序列發(fā)展過(guò)程中,震源區(qū)應(yīng)力水平隨震群序列的發(fā)展呈現(xiàn)怎樣的變化特征?在2013年11月23日MS5.8地震發(fā)生前,震源區(qū)應(yīng)力水平是否存在應(yīng)力集中現(xiàn)象?這兩個(gè)問(wèn)題的解決,有利于清晰認(rèn)識(shí)前郭強(qiáng)震群震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化與強(qiáng)震發(fā)生之間的關(guān)系,對(duì)前郭震區(qū)的震情趨勢(shì)研判及地震預(yù)測(cè)具有實(shí)際意義。
本文利用吉林及鄰省數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)的波形資料,對(duì)2013年前郭強(qiáng)震群視應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,分析震群序列視應(yīng)力的變化特征,尋找MS5.8地震前視應(yīng)力的前兆特征。
自2013年10月31日吉林前郭強(qiáng)震群發(fā)生以來(lái)至2013年12月24日,前郭強(qiáng)震群共記錄MS≥2.0地震41次。利用震中距200 km范圍內(nèi)數(shù)字地震臺(tái)站波形資料,選取記錄清晰、信噪比高且至少有3個(gè)以上臺(tái)站同時(shí)清晰記錄的同一地震的波形數(shù)據(jù),進(jìn)行分析。由于本研究側(cè)重探討中小地震視應(yīng)力與中強(qiáng)地震的關(guān)系,因此剔除5個(gè)MS≥5.0地震。綜合上述原則,選取前郭強(qiáng)震群序列中33次中小地震(2.0≤MS≤4.9)作為研究對(duì)象,分析MS5.8地震前后視應(yīng)力變化特征。圖1給出吉林及鄰省數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)部分臺(tái)站、震源區(qū)附近主要斷裂及MS≥2.0地震震中分布。
圖1 前郭強(qiáng)震群序列震中分布及200 km范圍內(nèi)臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of Qianguo earthquake sequence and stations around 200 km
地震視應(yīng)力計(jì)算公式(Wyss,1970)如下
式中,ES為地震波輻射能量,M0為地震矩, μ是震源區(qū)介質(zhì)的剪切模量,通常取μ = 3.0× 104MPa。
主要計(jì)算思路為:對(duì)臺(tái)站波形記錄進(jìn)行反演得到震源譜,利用震源譜擬合參數(shù),求取地震波輻射能量ES和地震矩M0,由式(1),即可求得地震視應(yīng)力。
(1)根據(jù)波形記錄求取震源譜。對(duì)臺(tái)站數(shù)字地震波形記錄進(jìn)行去傾處理,然后進(jìn)行傅氏變換,得到觀測(cè)譜。在近震源條件下,由于震源距較小,可以忽略非彈性衰減的影響,只需對(duì)觀測(cè)譜進(jìn)行儀器響應(yīng)較正和幾何擴(kuò)散校正處理,即可得到震源譜。由于地震波能量主要集中于振幅較大的S波段,因此選取S波段1.0—20 Hz范圍內(nèi)的波形進(jìn)行分析。
(2)震源譜擬合。根據(jù)Brune模型(Jiménez,2005),震源譜模型可以表示為
式中,Ω0為震源譜零頻極限值,fc為拐角頻率。對(duì)于一條地震記錄,Ω0和fc是確定數(shù)值,可通過(guò)對(duì)實(shí)際震源譜擬合求得。
擬合方法如下:因當(dāng)前地震臺(tái)站波形記錄為速度記錄,由步驟(1)求得的震源譜即為速度譜。利用式(3)將三分向速度譜轉(zhuǎn)換為合成位移譜
式中,V(f)為速度譜。由式(2)可知,在低頻段時(shí),Ω(f)≈Ω0,如圖2中f1—f2頻段,稱為震源譜平臺(tái)段。則其合成位移譜平方的積分為
由式(4)推導(dǎo)出式(5)
將式(5)代入式(2),計(jì)算f1—f3頻段內(nèi)的位移振幅譜值,即擬合譜值Ωti。利用式(6)計(jì)算擬合譜值Ωti與觀測(cè)譜值Ωi之差的平方和
由式(6)可知,RΩ隨頻率f變化。當(dāng)RΩ最小時(shí),擬合譜值與觀測(cè)譜值偏差最小。此時(shí),f作為拐角頻率fc。圖2中,鋸齒線為觀測(cè)譜,平滑曲線為擬合譜,即將所求得的Ω0和fc代入式(2)得到擬合譜曲線。此時(shí),兩條曲線在f1—f3頻段擬合較好。
圖2 地震位移振幅譜Fig.2 Seismic source displacement spectra
(3)計(jì)算M0和ES。已知Ω0和fc,利用式(7)、式(9)求得地震矩M0(Aki,1980)和地震波輻射能量ES(Andrews,1986),即
式中,ρ為地殼介質(zhì)密度(取2.71 mg/cm3);v為波速(P波取6.1 km/s,S波取3.5 km/s);d為震源距;Ω0為震源譜零頻極限值;Rθφ為輻射花樣因子,可采用均方根代替,對(duì)P波為0.52,對(duì)S波為0.63。
式中,β為S波波速。由于地震波能量主要集中于S波段,本文只計(jì)算S波地震能量。對(duì)f1— f3頻段內(nèi)的頻譜進(jìn)行積分,考慮低頻和高頻補(bǔ)償,則給出式(9)(Snoke,1987)
式中,Ω(f3)為頻率f3的震源譜值,見(jiàn)圖2。
(4)已知M0和ES,利用公式(1)計(jì)算地震視應(yīng)力σapp。同一個(gè)地震,會(huì)被多個(gè)臺(tái)站記錄到,相應(yīng)地,每個(gè)臺(tái)站的波形記錄均可以通過(guò)反演計(jì)算得到該地震的視應(yīng)力值,而地震的視應(yīng)力值需要通過(guò)多臺(tái)求取平均得到。為了消除個(gè)別臺(tái)站異常值對(duì)最終結(jié)果的影響,在對(duì)多臺(tái)求平均值時(shí)采用Archuleta等(1982)的方法,即
式中,xi為各臺(tái)站的地震矩或地震能量,N為臺(tái)站個(gè)數(shù)。使用該方法的原因?yàn)椋簜€(gè)別臺(tái)站的異常大值或小值在求取對(duì)數(shù)平均后,對(duì)結(jié)果的影響有限。
3.1 前郭強(qiáng)震群地震視應(yīng)力與震級(jí)關(guān)系
一般,視應(yīng)力與震級(jí)之間的關(guān)系在不同地區(qū)存在差異。本研究得到前郭強(qiáng)震群地震視應(yīng)力與震級(jí)之間的關(guān)系,見(jiàn)圖3。
圖3 前郭強(qiáng)震群地震視應(yīng)力與震級(jí)關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between apparent stress of Qianguo strong earthquake swarm and its magnitude
地震視應(yīng)力與震級(jí)的近似關(guān)系式為
由此可知,視應(yīng)力與震級(jí)具有一定相關(guān)性,即視應(yīng)力的對(duì)數(shù)與震級(jí)呈現(xiàn)一定的線性相關(guān)性,但對(duì)應(yīng)關(guān)系較差。盡管如此,視應(yīng)力隨震級(jí)增大的趨勢(shì)仍很明顯。
3.2 地震序列視應(yīng)力變化特征
由于視應(yīng)力隨震級(jí)增大趨勢(shì)明顯,為了忽略震級(jí)對(duì)視應(yīng)力的影響,分析前郭強(qiáng)震群中較小震級(jí)區(qū)間(3.0≤MS≤3.9)視應(yīng)力的變化特征,變化曲線見(jiàn)圖4。在2013年11月22日、23日3個(gè)MS5.0以上地震發(fā)生前,3.0≤MS≤3.9地震視應(yīng)力存在明顯上升過(guò)程,說(shuō)明震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力逐漸升高,達(dá)到最大值后,發(fā)生MS5.3地震,之后視應(yīng)力開始下降,下降過(guò)程中發(fā)生MS5.8地震,之后視應(yīng)力回落到升高之前的水平。
MS5.8地震發(fā)生前,共發(fā)生4次MS4.0以上地震,視應(yīng)力見(jiàn)表1。對(duì)比發(fā)現(xiàn),2013 年11月8日發(fā)生的2個(gè)MS4.0以上地震的視應(yīng)力明顯高于11月3日、4日MS4.0以上地震。11月3日MS4.5地震與11月8日MS4.4地震震級(jí)相當(dāng),然而后者的視應(yīng)力卻是前者的2.5倍多;11月4日MS4.2地震比11月8日MS4.0地震震級(jí)略高,但地震視應(yīng)力卻僅相當(dāng)于后者的1/3。可見(jiàn),11月8日2個(gè)MS4.0以上地震發(fā)生時(shí),震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力水平已處于較高狀態(tài)。
表1 前郭強(qiáng)震群MS5.8地震前4次MS4.0以上地震視應(yīng)力對(duì)比Table 1 Contrast of apparent stress of four MS≥4.0 earthquakes before MS5.8 earthquake of Qianguo strong earthquakes swarm
由于地震視應(yīng)力隨震級(jí)增大趨勢(shì)明顯,為了消除震級(jí)對(duì)視應(yīng)力的影響,考察視應(yīng)力差值Δσapp隨時(shí)間的變化特征
式中,σapp為實(shí)際測(cè)定的Δ視σ應(yīng)app力 = σ值ap,p-為根據(jù)視應(yīng)力與震級(jí)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系換算得到的視應(yīng)力值。為了清晰顯示地震序列視應(yīng)力的變化趨勢(shì),采用滑動(dòng)平均法處理視應(yīng)力差值數(shù)據(jù),3個(gè)地震求平均,滑動(dòng)步長(zhǎng)為1,并成圖。前郭強(qiáng)震群序列視應(yīng)力差值Δσapp隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5。
圖4 前郭強(qiáng)震群3.0≤MS≤3.9地震視應(yīng)力變化曲線Fig.4 Apparent stress curve of earthquakes (3.0≤MS≤3.9) in Qianguo strong earthquake swarm
圖5 前郭強(qiáng)震群序列2.0≤MS≤4.9地震視應(yīng)力差值Δσapp變化曲線Fig.5 Variation of apparent stress of 2.0≤MS≤4.9 earthquakes in Qianguo sequence
結(jié)果顯示,2013年10月31日至12月24日,前郭強(qiáng)震群序列地震視應(yīng)力的變化歷經(jīng)4個(gè)階段,即MS5.5、MS5.0地震后的低值階段、MS5.8地震發(fā)生前應(yīng)力積累階段、MS4.3地震前應(yīng)力小幅積累階段、趨于平穩(wěn)段。
(1)MS5.5、MS5.0地震后的低值階段。10月31日連續(xù)發(fā)生MS5.5、MS5.0地震,之后視應(yīng)力處于低值狀態(tài),說(shuō)明兩次地震后震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力處于較低水平,至11月5日MS2.3地震發(fā)生,震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力一直處于較低水平。
(2)MS5.8地震發(fā)生前應(yīng)力積累階段。11月6日MS3.1地震發(fā)生后,視應(yīng)力差值開始上升,于11月8日MS4.3地震達(dá)到最高值,且持續(xù)至11月19日,11月22日發(fā)生MS5.3地震,視應(yīng)力差值快速下降,10小時(shí)后,原震區(qū)連續(xù)發(fā)生MS5.8、MS5.0地震。震后,視應(yīng)力差值下降至0附近。
(3)MS4.3地震前應(yīng)力小幅積累階段。11月23日MS5.8、MS5.0地震后,當(dāng)天共發(fā)生5個(gè)中小地震(2.0≤MS≤4.9),其中前4個(gè)地震視應(yīng)力差值均處于低值水平,第5個(gè)地震發(fā)生時(shí),視應(yīng)力差值有所上升,震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力開始積累,11月28日MS3.1地震視應(yīng)力差值達(dá)到本階段最高值,但不如上一階段水平高,之后逐漸下降,在視應(yīng)力差值降至較低水平時(shí)發(fā)生MS4.3地震,視應(yīng)力差值再次降至0附近。
(4)趨于平穩(wěn)階段。MS4.3地震發(fā)生后,地震視應(yīng)力沒(méi)有明顯的升高過(guò)程,說(shuō)明該階段震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力無(wú)進(jìn)一步積累。
通過(guò)計(jì)算,得到2013年吉林前郭強(qiáng)震群序列中33次中小地震(2.0≤MS≤4.9)的視應(yīng)力。通過(guò)對(duì)地震序列中小地震視應(yīng)力隨時(shí)間變化趨勢(shì)的分析,尋找MS5.8地震前視應(yīng)力的前兆變化特征:①?gòu)妮^小震級(jí)區(qū)間(3.0≤MS≤3.9)地震視應(yīng)力的變化趨勢(shì)看,在MS5.8地震前,視應(yīng)力存在上升過(guò)程,并在視應(yīng)力下降過(guò)程中發(fā)生MS5.8地震,震后,視應(yīng)力處于低值水平;②對(duì)MS5.8地震前4次MS4.0以上地震視應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)后2次MS4.0地震視應(yīng)力較高,說(shuō)明11月8日此2次MS4.0地震發(fā)生時(shí),震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)力水平已明顯升高;③由于視應(yīng)力隨震級(jí)升高趨勢(shì)明顯,通過(guò)計(jì)算,消除震級(jí)對(duì)視應(yīng)力的影響,分析地震序列視應(yīng)力差值Δσapp隨時(shí)間的變化特征,結(jié)果顯示,在MS5.8地震前視應(yīng)力差值存在顯著上升過(guò)程,視應(yīng)力達(dá)到最高值后,在下降過(guò)程中發(fā)生MS5.8地震,震后視應(yīng)力處于低值水平。綜上所述,研究認(rèn)為:前郭強(qiáng)震群中小地震視應(yīng)力在MS5.8地震前明顯升高,震后顯著下降,MS5.8地震發(fā)生在視應(yīng)力最高值出現(xiàn)后的轉(zhuǎn)折下降過(guò)程。依據(jù)此變化特征,可以為未來(lái)前郭震區(qū)地震趨勢(shì)研判提供參考。
本研究使用中國(guó)地震局地球物理研究所陳學(xué)忠研究員提供的計(jì)算程序,得到陳學(xué)忠研究員、李艷娥老師的指導(dǎo)與幫助,在此表示感謝。
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Variation of apparent stress of Qianguo strong earthquake swarm in 2013
Kang Jianhong1),Zhang Hongyan1),Zhang Yu2)and Zheng Guodong2)
1) Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130117, China 2) Changchun Seismic Station, Jilin Province 130117, China
Abstract
Seismic data of small to moderate earthquakes recorded by Jilin Seismic Network and its neighborhood from September 10th to December 24th, 2013 are selected. On the basis of the assumption that source displacement spectra accords with Brune model,apparent stress values of 33 earthquakes(2.0≤MS≤4.9) before and after MS5.8 have been calculated. The result shows that the apparent stress before MS5.8 earthquake had an obviously increasing process. Then it declined when reaching maximum value. MS5.8 earthquake occurred during the apparent stress was coming down. After MS5.8 earthquake,the apparent stress was at a low level.
Key words:Qianguo strong earthquake swarm,MS5.8 earthquake,apparent stress,Brune model
doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 001
基金項(xiàng)目:2015年度震情跟蹤定向工作任務(wù)(2015010125)、2015年度震情跟蹤定向工作任務(wù)(2015020104)和地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH14017Y)聯(lián)合資助
作者簡(jiǎn)介:康建紅(1979—),女,河北昌黎人,工程師,主要從事地震分析預(yù)報(bào)工作
本文收到日期:2015-01-20